Aurinkokenno

Wikipedia

	Tätä artikkelia tai artikkelin osaa on pyydetty parannettavaksi.
	Voit auttaa Wikipediaa parantamalla artikkelia. Lisää tietoa saattaa olla keskustelusivulla.

Aurinkokennoista koostuva aurinkopaneeli.

Aurinkokenno.

Aurinkokenno on sähkömagneettisen säteilyn kuten Auringon säteilyn sähköksi muuttamiseen tarkoitettu laite. Aurinkokenno on usein väriltään tumma, jolloin se absorboi auringonvaloa mahdollisimman tehokkaasti. Aurinkokenno on keskeinen aurinkopaneelin osa. Aurinkokennoja on yhdessä aurinkopaneelissa useita, jolloin saadaan hyödynnettäväksi riittävä määrä sähköä.

Sisällysluettelo

1 Kehitys
2 Käyttö
3 Aurinkokennojen tulevaisuus
4 Lähteet
- 4.1 Yleiset lähteet
- 4.2 Lähdeviitteet
5 Katso myös
6 Aiheesta muualla

[muokkaa] Kehitys

Albert Einstein löysi valosähköisen ilmiön, johon piipohjaiset aurinkokennot perustuvat. Niiden käyttöä rajoittaa paneelien korkeahko hinta, sillä kennon alustana on puolijohteiden valmistukseen käytetty piikiekko. Viimeaikaisena kehityssuuntana on ollut kustannuksien alentaminen ja hyötysuhteen parantaminen. Aurinkokennojen valmistuskustannukset alenevat 2–4 prosenttia vuosittain teknisen kehitystyön ja suurtuotannon etujen ansiosta. Tärkein valosähköisten kennojen raaka-aine on pii, jota maapallolla esiintyy yltäkylläisesti teollisuuden tarpeisiin. Aurinkokennoja kohtaan osoitettu kritiikki kohdistuu usein pieneen hyötysuhteeseen ja valmistuksesta aiheutuviin päästöihin. Valmistuksesta aiheutuvat päästöt ovat todellakin melko korkeita, mutta nykytekniikalla niitä voidaan vähentää. Pienenkään fossiilisten polttoaineiden käytön merkitystä ei kuitenkaan pidä vähätellä.

Uusista teknologioista lupaavin on nanoteknologia, jonka avulla paneelit voidaan tehdä esimerkiksi nanomateriaalifilmistä. Sitä voidaan tulostaa rullalta kuten paperia. Filmiä voidaan myös taittaa ja sen ansiosta käyttää pinnoitteena erilaisissa rakenteissa. Sähköä voi tuottaa aurinkoenergialla ainakin kolmella eri tekniikalla; aion käsitellä aurinkokennoja sekä kertoa hieman ”aurinkolämpövoimalasta”; kolmas tapa on ”aurinkolämpökenno”, mutta sitä en aio käsitellä. Erityyppiset aurinkokennot ovat yleisin tapa tuottaa aurinkosähköä, sillä niiden avulla toteutettujen ratkaisujen mukautettavuus on omaa luokkaansa. Aurinkokennojen fysikaalinen perusta on valosähköilmiö, josta lisää myöhemmin. Aurinkokennojen ongelmina ovat toistaiseksi korkea hinta, huono hyötysuhde ja epävarmuus, mutta teknologia kehittyy huimaa vauhtia.

Aurinkokennot voidaan jakaa tyypiltään kahteen luokkaan: piipohjaisiin ja ohutkalvotekniikkaan perustuviin kennoihin, jotka jakautuvat edelleen alaluokkiin. Piipohjaiset kennot, joiden toiminnallinen osa on 100-300 µm, eivät ole teollisuuden kannalta yhtä kiintoisia kuin ohutkalvotekniikkaan pohjautuvat kennot, joiden toiminnallisen osan paksuus on 1-10 µm, sillä ohutkalvotekniikka vaatii vähemmän raaka-aineita ja on helpommin sovellettavissa massatuotantoon. Piitä, kuten muitakin aurinkokennojen puolijohteita on olemassa useaa eri tyyppiä: yksi- ja monikiteistä sekä amorfista. Puolijohteen ominaisuudet, kuten kiteen koko ja rakenne riippuvat aineen tyypistä. Yksikiteisen piin atomit muodostavat erittäin säännöllisen kiderakenteen, jossa kiteen koko on yli 10 cm. Niiden materiaalien, jotka koostuvat useista pienemmistä kiteistä kiderakenne ei ole yhtä säännöllinen kuin yksikiteisten materiaalien, sillä kiteiden pienuuden vuoksi kiteissä olevien atomien tai molekyylien väliset vetovoimat tulevat merkityksellisiksi.^[1]

Piiatomien elektronien käyttäytyminen piikiteissä on merkittävä tekijä tarkasteltaessa piikiteissä tapahtuvaa valosähköilmiötä, sillä kiteiden muodostumisperiaate on omalaatuinen. Joitakin ohutkalvokennoja voidaan kuvata n-i-p-rakenteella, missä n ja p ovat erityyppisiä puolijohteita, n-tyypin puolijohteessa on ylimääräisiä elektroneja ja p-tyypissä on ylimääräisiä aukkoja. P/n-liitoksen yli muodostuu sähkökenttä, koska aukot ja elektronit vaihtavat jatkuvasti puolta eli kaksi puolijohdetta käyttäytyy pariston tavoin, joten niitä voidaan käyttää erilaisissa piireissä. Aurinkokennoahan voidaan pitää diodina. Amorfinen pii on erittäin mielenkiintoinen materiaali ohutkalvotekniikan kannalta ja sitä tutkitaan nykyisin erittäin paljon, sillä sen ominaisuudet tekevät siitä johtavan ohutkalvomateriaalin. Amorfisen piin korvaajiksi ovat ehdolla nanokiteinen ja "pienijyväinen" monikiteinen pii.^[1]

Muita monikiteisessä ohutkalvotekniikassa käytettyjä materiaaleja ovat kupari-indiumdiselenidi ja kadmiumtelluuri, jonka n-i-p on kemiallisin merkein kirjoitettuna Cd S-CdTe-ZnTe. Molemmat edellä mainituista materiaaleista absorptoivat tehokkaasti fotoneja ja ovat valmistusteknillisesti edeltäjiään parempia. Yksikiteisessä ohutkalvotekniikassa käytetään galliumarsenidiä, jolla on laaja soveltuvuusalue, sillä galliumarsenidi kestää erittäin hyvin säteilyäkin, mikä tekee siitä ihanteellisen materiaalin avaruussovellutuksiin. Galliumarsenidiä voidaan kerrostaa hieman erilaisin koostumuksin, jolloin saadaan parannettua tehokkuutta ja vietyä tehokkuus aina vain lähemmäksi ja lähemmäksi teoreettista rajaa. Ohutkalvotekniikaan perustuvien kennojen tuotanto on yleensä laaja-alaista eli tapahtuu suurella pinta-alalla ja voidaan automatisoida; ohutkalvotekniikkaan perustuvat kennot ovat myös taipuisia.^[1]

Aurinkokennojen hyötysuhde riippuu kennon valmistusmateriaalien ja -tekniikoiden lisäksi osittain kennoon tulevan säteilyn spektristä. Osa säteilystä heijastuu jo kennon pinnasta, minkä merkitystä pyritään vähentämään valitsemalla mahdollisimman heikosti heijastava materiaali pintaan. Myös säteilyn absorptoituminen pintakerroksiin heikentää hyötysuhdetta, minkä merkitys vähenee sopivilla materiaalivalinnoilla. Fysiikassa auringon säteilyn ajatellaan koostuvan pienistä massattomista hiukkasista, fotoneista, jotka sisältävät tietyn määrän energiaa. Aurinkokennoissa fotonit absorptoi-tuvat p-tyypin puolijohteeseen vapauttaen elektroneja valosähköisessä ilmiössä, kuljettuaan ensin n-tyypin kerroksen ja n/p-liitoksen läpi.^[1]

Hyötysuhteen maksimoimiseksi pyritään säätämään p-tyypin materiaalin ominaisuudet siten, että suurin osa elektroneista vapautuu mahdollisimman lähellä liitosta, jotta sähkökenttä kykenisi auttamaan elektronit kennon yläosan läpi ulkoiseen piiriin. Luonnollisesti fotonien absorptio pyritään saamaan mahdollisimman suureksi, ja siten vapauttaa mahdollisimman paljon elektroneja. Ja kaiken lisäksi elektronien yhtyminen aukkojen kanssa on estettävä mahdollisimman tehokkaasti. Näiden vaatimusten toteuttamiseksi äärimmäisen puhtaaseen puolijohderaaka-aineeseen lisätään tarkasti määriteltyihin paikkoihin epäpuhtauksia eli muita atomeja. Pinnasta tapahtuvia heijastuksia vähennetään ainakin kahdella eri tavalla: peittämällä pinta monella kerroksella sopivaa materiaalia esimerkiksi piimonoksidia tai käsittelemällä kennon pinta kemikaalein sellaiseksi, että se heijastaa pintaheijastukset takaisin kennoon.^[1]

Los Alamosin laboratorion tutkijat ovat onnistuneet kokeellisesti osoittamaan, että käyttämällä nanokiteistä puolijohdetta voidaan aurinkokennojen tuottaman sähkön määrää voitaisiin nostaa jopa 35 % nykyisestä. Hyötysuhteen nousun taustalla se, että nanokiteinen puolijohde vapauttaa useita elektroneja kerralla ja käyttää kennoon tulevien fotonien energian tarkemmin kuin aiemmin. Kennon perusperiaate ei muutu miksikään, vaan keksinnössä on kyse kuljettajien moninkertaistumiseksi kutsutun ilmiön, joka on tunnettu 50-luvulta lähtien, hyödyntämistä: kennoon tuleva fotoni irrottaa yhden elektronin puolijohteesta, mutta ylimääräinen energia ei muutukaan lämmöksi vaan se siirtyy törmäysionisaatioksi kutsutussa prosessissa toiselle elektronille. Hyötysuhteen huomattava nosto edellyttää nanoluokan puolijohteita, sillä perinteisin menetelmin tehokkuus lisääntyisi vain noin prosentilla. Käytönnössä edellä kuvattu ilmiö tarkoittaa fotonin osumasta irtoavien elektronien määrän tuplaantumista.^[2]

Valosähköilmiö havaittiin ensimmäisen kerran 1830-luvulla, mutta vasta 1880-luvulla ilmiötä alettiin ymmärtää edes jollain tasolla. Tuolloin Hertz havaitsi, että pinnan valaiseminen helpotti jonkin pakoa (vuonna 1887), tunnemme nämä oliot elektroneina. Tämä ajatus ei ollut mitenkään vallankumouksellinen, sillä pinnan potentiaalienergiavyöhykkeen olemassaolo tiedettiin jo. Edison havaitsi vuonna 1883, että materiaalin kuumentaminen erittäin korkeaan lämpötilaan vapautti elektroneja (Edison ei tuntenut elektronia). Pienintä energiaa, jolla elektroni irtoaa kappaleen pinnasta kutsutaan irrotustyöksi (f) ja se on materiaalivakio. Hertzin käyttämät kappaleet eivät olleet riittävän kuumia, jotta elektroni olisi irronnut lämpöenergialla.^[3]

Vuosina 1886-1900 saksalaiset fyysikot Wilhelm Hallwachs ja Philipp Lenard tutkivat yksityiskohtaisesti valosähköilmiötä ja saivat melko odottamattomia tuloksia: monokromaattisen valon osuessa kennoon elektroneja ei irtoa ellei käytetyn valon taajuus ollut korkeampi kuin rajataajuus; käytetyn valon intensiteetti ei vaikuta pysäytysjännitteeseen (jännite, jolla elektronien kulku katodilta anodille saadaan estettyä). Klassinen fysiikka ei kyennyt selittämään valosähköilmiön ominaisuuksia, vaan siihen vaadittiin elektronia ja Max Planckin kvanttihypoteesia. Vuonna 1905 Albert Einstein kehitti valosähköilmiölle tarkan analyysin olettamalla, että valon säde koostuu pienistä energiapaketeista, joita hän kutsui fotoneiksi tai kvanteiksi. Osuessaan kappaleen pintaan fotoni absorptoituu elektroniin, mutta vastoin klassisen fysiikan käsitystä energian siirtymisestä elektroni saa joko koko fotonin energian tai ei mitään. Jos absortoituvan fotonin energia on suurempi kuin irrotustyö, elektroni voi paeta pinnalta. Suurempi intensiteetti taajuuden pysyessä samana tarkoittaa sekunnissa emittoituvien elektronien määrän kasvua eli suurempaa jännitettä. Suurimmalla osalla metalleista rajataajuus on UV-alueella, mutta kaliumin ja cesiumin oksideilla rajataajuus on näkyvän valon alueella.^[3]

Useimmilla tehokkailla aurinkokennomateriaaleilla irrotustyön suuruus on välillä 1,0-1,6 eV. Fotonit, joiden energia on tällä välillä vapauttavat elektroneja tuottamatta ylimääräistä lämpöä. Useimmat aurinkokennot eivät pysty hyödyntämään 55 % auringon säteilyn energiasta, sillä joko irrotustyö tai kuljettajien vaatima energia suurempi kuin tulevien fotonien energia. Kennoissa käytettävät puolijohteet pyritään optimoimaan käyttämään hyödykseen mahdollisimman suurta osaa kennoihin osuvan säteilyn energiasta. 25 %:lla tulevista fotoneista on irrotustyötä pienempi energia, 30 % tulevasta energiasta kuluu kennon sisäisssä prosesseissa (syntyy esimerkiksi lämpöä ja valoa). Kennon tehokkuuteen vaikuttaa siis valmistustekniikan ja -materiaalien lisäksi käyttöolosuhteet. Aurinkokennon tuottaman sähkön määrää voidaan lisätä käyttämällä keskittimiä, jotka kohdistavat laajemmalle alueelle osuvan auringon säteilyn kennoihin jolloin kennoon osuvan säteilyn intensiteetti kasvaa. Kyse on siis eräänlaisesta vippaskonstista, jonka ongelmana on tosin kennon ja muidenkin rakenteiden normaalia voimakkaampi lämpeneminen. Keskitysjärjestelmiin eli linsseihin ja peileihin liittyy häviöitä ja myös heijastuminen keskittimistä on merkittävä tekijä.^[1]

Aurinkokennossa vapautuvien elektronien saaminen ulkoiseen piiriin on tärkeä osa aurinkoenergiateknologiaa, sillä elektronien siirtämiseen tarvittavat kontaktit eivät saisi peittää kuin korkeintaan muutaman prosentin kennon pinnasta ja niiden pitäisi johtaa hyvin kaikissa suunnissa. Se mitä materiaaleja kontakteissa käytetään ja miten ne asennetaan kennon pinnalle on merkittävä tekijä kennon hyötysuhteen ja hinnan kannalta. Aurinkokennoja kootaan yleensä suuremmiksi kokonaisuuksiksi, joita kutsutaan moduleiksi ja taulukoiksi. Kokonaisen aurinkoenergiajärjestelmän voi ajatella koostuvan kolmesta osasta: tehontuotto eli aurinkokennot, jotka tuottavat tasavirtaa; kuorma, joka voi olla tasa- tai vaihtovirtaa käyttävä; näiden välissä on erittäin merkittävä, järjestelmän tasapainoksi kutsuttu, osajärjestelmä, joka muuntaa kennon tuottaman sähkön käyttökelpoiseksi kuormalle. Tämä osajärjestelmä sisältää moduulien kiinnitysjärjestelmän, virran ja jännitteen suodatuskomponentit sekä tarvittaessa vaihtosuuntauksen. Myös varastointi kuuluu tähän järjestelmään.^[1]

[muokkaa] Käyttö

Aurinkopaneelien käyttö Suomessa on huomattavasti vähäisempää kuin vaikkapa Saksassa. Siellä moottoriteiden meluaitoja on peitetty aurinkopaneeleilla. Tästä ei välttämättä voida päätellä, että Saksan olosuhteet olisivat paremmat aurinkoenergialle Suomeen verrattuna. Todellinen syy lienee se, että Saksan politiikassa ympäristöasioita huomioidaan Suomea enemmän. Aurinkovoiman käytölle lumi ei ole este, kun paneelien sijoitus suunnitellaan oikein, esimerkiksi pystyseinään tai parvekkeiden kaiteisiin kuten eräässä Helsingin Viikissä sijaitsevassa koetalossa. Nykyaikaiset paneelit pystyvät hyödyntämään myös vähäisen valon pilvisellä säällä tai hämärässä.

Aurinkokennojen kiinnitysjärjestelmien on oltava kestäviä ja pitkäikäisiä, sillä ne ovat jatkuvasti sään armoilla. Itsenäisiin aurinkoenergiajärjestelmiin usein kuuluvat akut on vaihdettava joka viides tai kymmenes vuosi, näihin järjestelmiin saattaa kuulua myös dieselgeneraattori tai pieni tuulivoimala. Isommissa aurinkovoimaloissa käytetään jäljitysjärjestelmiä maksimaalisen energiantuoton saamiseksi eli taulukot on kiinnitetty moottoroituihin kiinnityksiin, jotka pitävät kennot optimaalisessa kulmassa aurinkoon nähden. Jännitteen säätö on tärkeä osa energian tuotantoa, sillä yli- ja alijännitteet voivat olla tuhoisia. Aurinkoenergiajärjestelmien yleistyminen on kiinni järjestelmien hinnasta ja käytettävyydestä sekä niiden eliniästä. Akkuteknologian kehittäminen on äärimmäisen tärkeää, sillä aurinkoenergiajärjestelmiin tarvitaan tehokkaita akkuja, jotka eivät saisi laskea järjestelmän hyötysuhdetta paljoa. Nykytekniikalla akkujen käyttö pienentää hyötysuhdetta noin 20 %.^[1]

Aurinkokennojen suunnittelussa täytyy huomioida se, miten valo osuu kennoon, sillä valo voi joko osua kennoon suoraan tai se saattaa heijastua esimerkiksi pilvistä tai maasta. Keskitinjärjestelmät voivat hyödyntää vain niihin suoraan osuvaa valoa, kun taas litteät paneelit pystyvät hyödyntämään heijastuneenkin komponentin. Suoraan kennoon tulevan valon määrä vaihtelee välillä 0-90 %. Aurinkoenergian käyttökelpoisuus vaihtelee alueittain, sillä alueelle osuvan auringon säteilyenergian määrä riippuu siitä missä päin maapalloa ollaan sekä paikallisesta ilmastosta ja ilmansaasteiden määrästä. Parhaimmillaan aurinkoenergiajärjestelmät ovat aurinkoisissa maissa päiväntasaajan molemmin puolin.^[1]

Aurinkokennojen suosituimpia käyttökohteita ovat pienkohteet kuten vesipumput ja taskulaskimet. Kesämökkien, asuntovaunujen ja veneiden sähköistämisessä sekä autojen ilmastointilaitteiden käyttövoiman tuottajana ne ovat yleisiä; Auton kattoluukun rakenteisiin integroitu aurinkokenno pyörittää auton ilmastointia myös moottorin seisoessa. Jääkaapit, pakastimet, viestintälaitteet ja kannettavat tietokoneet saavat sähköä aurinkokennoista myös erämaassa.

Aurinkoenergian käyttö kasvaa koko ajan, sillä monet syrjäiset kohteet kuten majakat tai tukiasemat ja muut vastaavat kohteet on järkevintä sähköistää joko pelkällä aurinkoenergialla tai käyttämällä hybridijärjestelmiä. Ideana tässä on se, että ylimääräistä sähköä voi myydä verkkoon ja ostaa sieltä lisää tarvittaessa. Tulevaisuudessa aurinkoenergian tärkeimmäksi sovellutukseksi nousee veden hajottaminen elektrolyyttisesti vedyksi ja hapeksi polttokennoja varten.^[1] ESA on kehittänyt aurinkoenergialla kulkevan auton, Husqvarna ruohonleikkurin, joka toimii aurinkopaneeleilla. Tulevaisuudessa moniin rakennuksiin integroidaan aurinkoenergiajärjestelmä, joka saatetaan kytkeä verkkoon. Saksassa valtio on tukenut aurinkoenergiajärjestelmien rakentamista ja monet ihmiset ovat asentaneet talojensa katoille aurinkopaneeleja.

[muokkaa] Aurinkokennojen tulevaisuus

Aurinkokennoja käyttävä Gossamer Penguin lennossa 25.7.1979 [1].

Aurinkokennoja käytetään myös voimanlähteenä kokeellisissa autoissa, mutta tehot ovat vielä pieniä ja aurinkoautoilla on toistaiseksi vain kilpailtu Australiassa ja muissa valoisissa maissa. Yksi ideoiduista käyttömahdollisuuksista on sijoittaa suuri määrä aurinkopaneeleita aurinkoisille alueille päiväntasaajalle ja käyttää energia vedyn tuottamiseen. Vety voidaan kuljettaa putkijohdoilla asiakkaille ja muuntaa polttokennoissa sähköksi tai käyttää henkilöautojen ottomoottorien polttoaineena. Saharan reuna-alueiden ja muiden vastaavien kuivien alueiden varustaminen aurinkokennojen käyttämillä kastelujärjestelmillä on eräitä suuria haaveita, joiden toteutuminen helpottuu tekniikan kehittyessä.

Tällä hetkellä suurin este aurinkoenergian yleistymisen tiellä on korkeat investointikustannukset. Tulevaisuudessa on odotettavissa monia läpimurtoja aurinkoenergian alalla, joiden myötä järjestelmien hinta saadaan painettua kilpailukykyiselle tasolle. Tällä hetkellä aurinkoenergian suurin käyttökohde on avaruustekniikka, jossa miltei kaikki laitteet jotka operoivat Marsin radan sisäpuolella käyttävät aurinkopaneeleita. Aurinkokennojen valmistuksessa pyritään eroon lyijystä ja muista raskasmetalleista sekä kehittämään entistä varmempia valmistustekniikoita hintojen laskemiseksi. Aurinkokennojen kehittyessä niiden käyttökelpoisuus mobiilisovellutuksissa kasvaa, joten jo alle kymmenen vuoden päästä kännykkä- ja kannettavien tietokoneiden laturit saattavat olla pieniä aurinkoenergiajärjestelmiä. Ei ole epäilystäkään siitä, etteikö aurinkoenergia olisi tulevaisuuden energiamuoto.

Japani ja USA ovat suunnitelleet lähettävänsä avaruuteen aurinkovoimaloita eli satelliitteja, joihin on kiinnitetty kilometrien pituisia aurinkopaneelistoja. Tuotettu sähkö siirrettäisiin maahan ilmeisesti mikroaalloilla tai IR-laserilla. NASA esitti jo 1970-luvulla avaruusvoimalan rakentamista. Suunnitelman mukaan se olisi riittänyt kattamaan koko Yhdysvaltain sähköntarpeen. 1980-luvulla oli huhuja, että Neuvostoliitto kokeili langatonta sähkönsiirtoa avaruudesta maahan. Useimpien avaruusalusten sähköteho tuotetaan aurinkopaneleille, koska vaihtoehtoina on vain polttokenno (esim. Apollossa käytössä) ja ydinenergia (esim. Cassini-luotain). Tällöin aluksen käyttöjännite on 28 V, 40 V, 100 V tasavirtaa tai 400 V vaihtovirtaa (esim. ISS-avaruuasema) ja tehonkulutus kymmenistä wateista satoihin kilowatteihin.